CN113690635A - 一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵 - Google Patents

一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵 Download PDF

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CN113690635A CN202111020077.1A CN202111020077A CN113690635A CN 113690635 A CN113690635 A CN 113690635A CN 202111020077 A CN202111020077 A CN 202111020077A CN 113690635 A CN113690635 A CN 113690635A
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郭敏
刘元云
纪松
曹捷
王太磊
陈晓锋
齐松
杨成山
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Abstract

一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵，包含：从上至下依次设置的金属反射板、水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列、与所述水平极化波导口辐射阵列相连接的水平极化波导功率合成网络、与所述垂直极化波导口辐射阵列相连接的垂直极化波导功率合成网络，与所述水平极化波导功率合成网络相连接的水平极化和差网络，与所述垂直极化波导功率合成网络相连接的垂直极化和差网络。本发明具有与单极化单脉冲天线相当的辐射效率，以及较低的副瓣，且减小了两个极化信号的耦合影响，兼具小型化及双极化特性，布局巧妙，可以满足共面双极化天线阵列复合、兼容的需求，具有很强的实用性及应用前景。

Description

一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵
技术领域
本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵。
背景技术
在雷达、电子对抗、航空航天等系统中，双极化天线已经获得了广泛的应用。例如在SAR系统中，利用地物对不同极化电磁波的散射特性不同，采用双极化的工作模式就能够获取丰富的地物信息，从而更好地区分和鉴别地物；在卫星通信系统中，采用双极化天线可以在同一带宽内发射两种不同极化的信号，节约了频率资源，使频带的利用率提高了一倍。
以往人们对双极化平面天线阵的研究主要停留在微带天线阵上，如双极化微带贴片天线，利用双层辐射贴片实现双极化，但相对带宽较窄。或者利用2个工作于主模的辐射贴片嵌套的形式，但其要求较大的内外贴片尺寸比，常需要加载电容。亦或采用多层堆栈结构的微带贴片实现较宽的带宽和较高的极化隔离度。众所周知，微带贴片天线的缺点是在频率较高时，插损较大，天线效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵，具有与单极化单脉冲天线相当的辐射效率，以及较低的副瓣，且减小了两个极化信号的耦合影响，兼具小型化及双极化特性，布局巧妙，可以满足共面双极化天线阵列复合、兼容的需求，具有很强的实用性及应用前景。
为了达到上述目的，本发明提供一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵，包含：
金属反射板；
水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列，其设置在所述金属反射板下方；
水平极化波导功率合成网络，其设置在所述水平极化波导口辐射阵列的下方并与所述水平极化波导口辐射阵列相连接；
垂直极化波导功率合成网络，其设置在所述垂直极化波导口辐射阵列的下方且与所述垂直极化波导口辐射阵列相连接；
水平极化和差网络，其设置在所述水平极化波导功率合成网络下方，并与所述水平极化波导功率合成网络相连接；
垂直极化和差网络，其设置在所述垂直极化波导功率合成网络下方，并与所述垂直极化波导功率合成网络相连接。
所述水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列均包含四个区域，相邻区域内的多个波导口辐射阵列在横向和纵向呈轴对称设置；
所述水平极化波导口辐射阵列包含多个相互平行的第一波导口天线，任意相邻两个第一波导口天线之间的中心距离为二分之一波导波长；
所述垂直极化波导口辐射阵列包含多个相互平行的第二波导口天线，任意相邻两个第二波导口天线之间的中心距离为二分之一波导波长；
所述第一波导口天线和所述第二波导口天线呈90°放置。
所述第一波导口天线的电流分布采用泰勒分布，所述第一波导口天线在底部翻边形成第一波导翻边结构，所述第一波导口天线中设置金属隔片，用于阻抗匹配。
所述第二波导口天线的电流分布采用泰勒分布，所述第二波导口天线具有第二波导翻边结构。
所述水平极化波导功率合成网络包含四个区域，分别对应所述水平极化波导口辐射阵列中的四个区域；
所述水平极化波导功率合成网络包含四层波导结构；
第一层波导包含多个互相平行设置的第一波导，每个第一波导分别与对应的第一波导口天线相连接，每个第一波导的上表面开设有多个第一斜缝，所述第一斜缝的数量与所述第一波导口天线的数量相同；
在所述第一波导的末端采用90度弯折结构形成第二波导，所有所述第二波导组成第二层波导；
第三层波导包含至少两个互相平行设置的第三波导，所述第三波导垂直于所述第二波导设置，每个第三波导的上表面开设有多个第二斜缝，所述第三波导通过所述第二斜缝分别与所述第二波导相连接，所述第二斜缝的数量与所述第二波导的数量相同；
第四层波导包含至少一个第四波导，所述第四波导的上表面开设有多个第三斜缝，通过所述第三斜缝分别与所述第三波导相连接，所述第三斜缝的数量与所述第三波导的数量相同。
所述垂直极化波导功率合成网络包含四个区域，分别对应所述垂直极化波导口辐射阵列中的四个区域；
所述垂直极化波导功率合成网络包含三层波导结构；
第一层波导包含互相平行设置的多个第五波导，中间的一个第五波导四个象限共用，每个第五波导分别与对应的第二波导口天线相连接，且在第五波导的末端采用90度弯折结构与下层波导实现连接，每个第五波导的上表面开设有多个耦合斜缝，所述耦合斜缝的数量与所述第二波导口天线的数量相同；
在所述第五波导的末端的90度弯折结构上连接有平行于第五波导的第六波导，所有所述第六波导组成第二层波导；
第三层波导包含至少一个第七波导，其垂直于所述的第六波导，所述第七波导的上表面开设有馈电斜缝，通过所述馈电斜缝分别与第六波导相连接，所述馈电斜缝的数量与所述第六波导的数量相同。
所有斜缝的归一化电阻rjk和倾斜角θjk为：
Figure BDA0003241560580000031
Figure BDA0003241560580000032
式中，Pjk为j根波导上第K个倾斜缝隙的辐射功率，β＝2π/λg，λ为自由空间波长，λg为波导波长，a和b为波导的宽度和高度，Ijk为j根波导上第K个倾斜缝隙的电流分布，由-30dB泰勒分布得出。
所述第一波导和第五波导上的斜缝的归一化电阻满足：
Figure BDA0003241560580000041
所述水平极化和差网络包含4个波导魔T，分别输出所述水平极化波导功率合成网络的四个区域的和信号、E面差信号、H面差信号。
所述垂直极化和差网络包含4个波导魔T，分别输出所述垂直极化波导功率合成网络的四个区域的和信号、E面差信号、H面差信号，使用调节块调节阻抗匹配。
本发明提供一种共口径、结构巧妙的小型化双极化共面复合单脉冲阵列天线，利用水平极化与垂直极化共用同一孔径的方法，提高天线的孔径利用效率，水平极化与垂直极化均采用波导馈电方式，减小了馈电网络的损耗，具有很高天线效率，对辐射单元的两个极化，采用了同一极化的馈电方式，其中垂直极化为直接馈电，而对于水平极化的辐射，采用垂直极化馈电，通过波导阶梯过渡以及缝隙耦合的方式实现了辐射的水平极化。由于天线单元的电流分布采用Taylor分布，Taylor分布通过调整位于波导口底面的倾斜缝的倾斜角度，以控制每个波导口天线的幅度大小，从而实现较低的副瓣，与单极化单脉冲天线相当的辐射效率，而且通过极化隔片等设计减小了两个极化的耦合影响，降低了远区副瓣。因此，本发明所提供的共面复合的单脉冲阵列天线，兼具小型化及双极化特性，布局巧妙，可以满足在空间两个极化天线阵列复合、兼容的需求，易于加工且具有很强的实用性、及应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的双极化单脉冲波导缝隙天线阵的立体结构示意图。
图2是本发明提供的双极化单脉冲波导缝隙天线阵的侧视图。
图3是水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列的俯视图。
图4是第一波导口天线的立体结构示意图。
图5是第二波导口天线的立体结构示意图。
图6是水平极化波导功率合成网络的正视图。
图7是水平极化波导功率合成网络的侧视图。
图8是第一斜缝的俯视图。
图9是第二斜缝的俯视图。
图10是垂直极化波导功率合成网络的正视图。
图11是垂直极化波导功率合成网络的侧视图。
图12是耦合斜缝的俯视图。
图13是馈电斜缝的俯视图。
图14是和差网络的俯视图。
图15是水平极化和差网络的俯视图。
图16是垂直极化和差网络的俯视图。
图17是水平极化辐射方向图。
图18是垂直极化辐射方向图。
具体实施方式
以下根据图1～图18，具体说明本发明的较佳实施例。
波导缝隙天线相对微带天线具有口面场分布容易控制、口径效率高、性能稳定、结构强度好，且容易实现窄波束、低副瓣等优点。因此，研究双极化波导缝隙天线，有很重要的应用价值。
如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵，包含：
金属反射板7，其上具有多个波导口开口；
水平极化波导口辐射阵列1和垂直极化波导口辐射阵列2，其设置在金属反射板7下方，所述水平极化波导口辐射阵列1和垂直极化波导口辐射阵列2设置在所述双极化单脉冲波导缝隙天线阵的最上面；
水平极化波导功率合成网络3，其设置在所述水平极化波导口辐射阵列1的下方并与所述水平极化波导口辐射阵列1相连接；
垂直极化波导功率合成网络4，其设置在所述垂直极化波导口辐射阵列2的下方且与所述垂直极化波导口辐射阵列2相连接；
水平极化和差网络5，其设置在所述水平极化波导功率合成网络3下方，并与所述水平极化波导功率合成网络3相连接；
垂直极化和差网络6，其设置在所述垂直极化波导功率合成网络4下方，并与所述垂直极化波导功率合成网络4相连接。
在本实施例中，双极化单脉冲波导缝隙天线阵中的各层结构通过焊接连接。
进一步，如图3所示，为了形成差波束，所述水平极化波导口辐射阵列1和垂直极化波导口辐射阵列2被均匀划分为轴对称的4个区域01-04，相邻区域内的多个波导口辐射阵列呈轴对称设置，也就是四个区域内的多个波导口辐射阵列在横向和纵向是彼此轴对称的。
所述水平极化波导口辐射阵列1包含236个相互平行的第一波导口天线11，即每四分之一阵面内包含59个第一波导口天线11，任意相邻两个第一波导口天线11之间的中心距离为二分之一波导波长。
所述垂直极化波导口辐射阵列2包含254个相互平行的第二波导口天线21，其中，天线轴上的18个第二波导口天线21是四个象限公用的，任意相邻两个第二波导口天线21之间的中心距离为二分之一波导波长。
所述第一波导口天线11和所述第二波导口天线21呈90°放置，以分别作为水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列的辐射单元。
如图4所示，所述第一波导口天线11的电流分布采用泰勒Taylor分布，为了馈电方便，所述第一波导口天线11在底部直接翻边而形成波导翻边结构13，所述第一波导口天线11中设置金属隔片12，用于阻抗匹配。
如图5所示，所述第二波导口天线21的电流分布采用泰勒Taylor分布，为了便于天线布局，避免与第一波导口天线11干涉，所述第二波导口天线21采用波导翻边结构22。
如图6和图7所示，所述水平极化波导功率合成网络3也被轴对称分为四个区域01-04，分别对应所述水平极化波导口辐射阵列1中的四个区域。为了达到节约空间的目的，水平极化波导功率合成网络3包含四层波导结构。在四分之一子阵中，第一层波导包含8个互相平行设置的第一波导31，每个第一波导31分别与对应的第一波导口天线11相连接，每个第一波导31的上表面开设有若干第一斜缝35(如图8所示)，且所开设的第一斜缝35的数量与该第一波导31所对应连接的第一波导口天线11的数量相同。在第一波导31的末端采用90度弯折结构形成第二波导32，所有的第二波导32组成第二层波导。第三层波导包含2个互相平行设置的第三波导33，该第三波导33垂直于所述第二波导32设置，每个第三波导33的上表面开设有第二斜缝36(如图9所示)，其通过第二斜缝36分别与所述第二波导32相连接，所述第二斜缝36的数量与所述第二波导32的数量相同。第四层波导包含1个第四波导34，所述第四波导34的上表面开设有第三斜缝37，通过第三斜缝37分别与每个第三波导33相连接，所述第三斜缝37的数量与所述第三波导33的数量相同。
如图10和图11所示，所述垂直极化波导功率合成网络4也被轴对称分为四个区域01-04，分别对应所述垂直极化波导口辐射阵列2中的四个区域，中间的天线轴的部分四个象限共用。为了达到节约空间的目的，所述垂直极化波导功率合成网络4包含三层波导结构。在四分之一子阵中，第一层波导包含互相平行设置的9个第五波导41，其中中间的一根波导四个象限共用，每个第五波导41分别与对应的第二波导口天线21相连接，且在第五波导41的末端采用90度弯折结构46与下层波导实现连接，每个第五波导41的上表面开设有若干耦合斜缝44(图12所示)，且所开设的耦合斜缝44的数量与该第五波导41所对应连接的第二波导口天线21的数量相同。第二层波导为平行于第五波导41的翻边结构，即第六波导42。第三层波导包含1个第七波导43，其垂直于所述的第六波导42，第七波导43的上表面开设有馈电斜缝45(如图13所示)，通过馈电斜缝45分别与第六波导42相连接。
所述水平极化波导口辐射阵列1和垂直极化波导口辐射阵列2的方位面以及俯仰面的锥削分别由波导上的斜缝实现，而斜缝的长度和倾斜(旋转)角度则决定了每个波导口天线的电流分布。
斜缝的归一化电阻、倾斜角可由下式得出：
Figure BDA0003241560580000071
Figure BDA0003241560580000072
式中，Pjk为j根波导上第K个倾斜缝隙的辐射功率，β＝2π/λg，其中，λ为自由空间波长，λg为波导波长，a和b为波导的宽度和高度，Ijk为j根波导上第K个倾斜缝隙的电流分布，可由-30dB泰勒分布得出。
每根耦合波导(第一波导31和第五波导41)为了实现匹配，其中每个缝隙的归一化电阻应满足：
Figure BDA0003241560580000081
如图14所示，单脉冲阵列天线和差网络由水平极化和差网络5和垂直极化和差网络6组成。
如图15所示，所述水平极化和差网络5包含4个波导魔T 51-54。输出端口55的输出信号为01+02+03+04四个象限的和信号；输出端口56的输出信号为01+02-03-04四个象限的E面差信号；输出端口57的输出信号为01+03-02-04四个象限的H面差信号；输出端口58连接匹配负载。
如图16所示，所述垂直极化和差网络6包含4个波导魔T 61-64，为了调节端口驻波系数，使用调节块66调节和差器的阻抗匹配。输出端口66的输出信号为01+02+03+04四个象限的和信号；输出端口67的输出信号为01+02-03-04四个象限的E面差信号；输出端口68的输出信号为01+03-02-04四个象限的H面差信号；输出端口69连接匹配负载。
图17为水平极化和差辐射方向图天线，E面和波束最大增益为29.84dB，E面副瓣电平为-27.3dB，3dB波束宽度为4.83°，E面差波束零深为-40dB；H面和波束最大增益为29.8dB，H面副瓣电平为-25.74dB，3dB波束宽度为4.19°，H面差波束零深为-41dB。
图18为垂直极化和差辐射方向图天线，E面和波束最大增益为29.26dB，E面副瓣电平为-24.01dB，3dB波束宽度为4.65°，E面差波束零深为-31.85dB；H面和波束最大增益为29.2dB，H面副瓣电平为-25.5dB，3dB波束宽度为4.27°，H面差波束零深为-33.08dB。
本发明提供一种共口径、结构巧妙的小型化双极化共面复合单脉冲阵列天线，利用水平极化与垂直极化共用同一孔径的方法，提高天线的孔径利用效率，水平极化与垂直极化均采用波导馈电方式，减小了馈电网络的损耗，具有很高天线效率，对辐射单元的两个极化，采用了同一极化的馈电方式，其中垂直极化为直接馈电，而对于水平极化的辐射，采用垂直极化馈电，通过波导阶梯过渡以及缝隙耦合的方式实现了辐射的水平极化。由于天线单元的电流分布采用Taylor分布，Taylor分布通过调整位于波导口底面的倾斜缝的倾斜角度，以控制每个波导口天线的幅度大小，从而实现较低的副瓣，与单极化单脉冲天线相当的辐射效率，而且通过极化隔片等设计减小了两个极化的耦合影响，降低了远区副瓣。因此，本发明所提供的共面复合的单脉冲阵列天线，兼具小型化及双极化特性，布局巧妙，可以满足在空间两个极化天线阵列复合、兼容的需求，易于加工且具有很强的实用性、及应用前景。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，包含：
金属反射板；
水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列，其设置在所述金属反射板下方；
水平极化波导功率合成网络，其设置在所述水平极化波导口辐射阵列的下方并与所述水平极化波导口辐射阵列相连接；
垂直极化波导功率合成网络，其设置在所述垂直极化波导口辐射阵列的下方且与所述垂直极化波导口辐射阵列相连接；
水平极化和差网络，其设置在所述水平极化波导功率合成网络下方，并与所述水平极化波导功率合成网络相连接；
垂直极化和差网络，其设置在所述垂直极化波导功率合成网络下方，并与所述垂直极化波导功率合成网络相连接。
2.如权利要求1所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述水平极化波导口辐射阵列和垂直极化波导口辐射阵列均包含四个区域，相邻区域内的多个波导口辐射阵列在横向和纵向呈轴对称设置；
所述水平极化波导口辐射阵列包含多个相互平行的第一波导口天线，任意相邻两个第一波导口天线之间的中心距离为二分之一波导波长；
所述垂直极化波导口辐射阵列包含多个相互平行的第二波导口天线，任意相邻两个第二波导口天线之间的中心距离为二分之一波导波长；
所述第一波导口天线和所述第二波导口天线呈90°放置。
3.如权利要求2所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述第一波导口天线的电流分布采用泰勒分布，所述第一波导口天线在底部翻边形成第一波导翻边结构，所述第一波导口天线中设置金属隔片，用于阻抗匹配。
4.如权利要求3所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述第二波导口天线的电流分布采用泰勒分布，所述第二波导口天线具有第二波导翻边结构。
5.如权利要求4所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述水平极化波导功率合成网络包含四个区域，分别对应所述水平极化波导口辐射阵列中的四个区域；
所述水平极化波导功率合成网络包含四层波导结构；
第一层波导包含多个互相平行设置的第一波导，每个第一波导分别与对应的第一波导口天线相连接，每个第一波导的上表面开设有多个第一斜缝，所述第一斜缝的数量与所述第一波导口天线的数量相同；
在所述第一波导的末端采用90度弯折结构形成第二波导，所有所述第二波导组成第二层波导；
第三层波导包含至少两个互相平行设置的第三波导，所述第三波导垂直于所述第二波导设置，每个第三波导的上表面开设有多个第二斜缝，所述第三波导通过所述第二斜缝分别与所述第二波导相连接，所述第二斜缝的数量与所述第二波导的数量相同；
第四层波导包含至少一个第四波导，所述第四波导的上表面开设有多个第三斜缝，通过所述第三斜缝分别与所述第三波导相连接，所述第三斜缝的数量与所述第三波导的数量相同。
6.如权利要求5所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述垂直极化波导功率合成网络包含四个区域，分别对应所述垂直极化波导口辐射阵列中的四个区域；
所述垂直极化波导功率合成网络包含三层波导结构；
第一层波导包含互相平行设置的多个第五波导，中间的一个第五波导四个象限共用，每个第五波导分别与对应的第二波导口天线相连接，且在第五波导的末端采用90度弯折结构与下层波导实现连接，每个第五波导的上表面开设有多个耦合斜缝，所述耦合斜缝的数量与所述第二波导口天线的数量相同；
在所述第五波导的末端的90度弯折结构上连接有平行于第五波导的第六波导，所有所述第六波导组成第二层波导；
第三层波导包含至少一个第七波导，其垂直于所述的第六波导，所述第七波导的上表面开设有馈电斜缝，通过所述馈电斜缝分别与第六波导相连接，所述馈电斜缝的数量与所述第六波导的数量相同。
7.如权利要求6所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所有斜缝的归一化电阻rjk和倾斜角θjk为：
Figure FDA0003241560570000031
Figure FDA0003241560570000032
式中，Pjk为j根波导上第K个倾斜缝隙的辐射功率，β＝2π/λg，λ为自由空间波长，λg为波导波长，a和b为波导的宽度和高度，Ijk为j根波导上第K个倾斜缝隙的电流分布，由-30dB泰勒分布得出。
8.如权利要求7所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述第一波导和第五波导上的斜缝的归一化电阻满足：
Figure FDA0003241560570000033
9.如权利要求8所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述水平极化和差网络包含4个波导魔T，分别输出所述水平极化波导功率合成网络的四个区域的和信号、E面差信号、H面差信号。
10.如权利要求9所述的双极化单脉冲波导缝隙天线阵，其特征在于，所述垂直极化和差网络包含4个波导魔T，分别输出所述垂直极化波导功率合成网络的四个区域的和信号、E面差信号、H面差信号，使用调节块调节阻抗匹配。
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